压力容器的常规设计和分析设计

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２１年第 ２ 期 ０２ ｌ
压力容器的常规设计和分析设计
高 峰 ｆ 矿 煤 化 工 程有 限公 司 山东 兖
【 摘
兖州
２２ Ｏ ） ７ １ ０
要】 当前 ， 分析设计 目前 已成为压 力容 器的重要设计方 法。 文首先 阐述 了压力容器分析设计与常规设计的不同。 本 然后 分析设 计中应
形 而破坏 。一次应力又分总体薄膜应力 、 一次弯 曲应力 和局部 薄膜应 力 例如承受内压圆筒 的器壁 中的环 向应力 即为 总体薄膜应力： 平封 头或 顶盖 中央部分在 内压作用下产生 的应力 即为 一次弯曲应力： 壳体 在 固定支座或接管处 由外载荷和力矩产生的应力为局部薄膜应力 ： 二 是二次应力 。 二次应力是 由于容器部件的 自身约束或相邻部件 的约束 而产 生的正应 力或剪应力。它 的基本特点具有 “ 自限性 ” ， 即局部屈服 和小量变形 就会使约束缓 和 、 变形协调 ． 只要不反复加载 ， 二次应力不 会引起容器结构破坏 ： 三是峰值应力 峰值应力是 因局部结构不连续 １常规设计与分析设计 ． 它具有最高 的应力值 它的基本特 过去压力容器及其部件 的设计基本上属于常规设计 ． 我国现在执 或形状 突变 引起 的局部应力集 中。 自限性” 局部性”峰值 应力不会 引起容器 明显 的变形 和“ ， 行 的相应的设计规范是《 钢制压力容器） ｉ Ｓ — ９ １ 常规设计的特 点具有“ ） ｎ ０ （ Ｇ ８。 ３常 规设 计 和 分 析 设 计 比较 ． 点是： 简体及其部件 的应 力不 允许超过弹性范围 内的某一许用 值 如 果达到这一要求 ． 为筒体或部件就是 比较可靠 的 这样做 比较简 即认 常规设计是一种简单易行的传统设计方法． 而分析设计则不 同． 它 单． 以现成 的设 计公 式及 曲线为依 据 ． 多年来 一直按这样 的方 法进行 需要详尽 的应力分析报告为依据 需要近代 的分析计算 工具和实验技 设 计。 然而 ， 这种方法 比较粗糙 ． 许多重要因素都 未考虑进去 。以内压 术为手段， 因而提供 了充分的强度数 据对 新工艺 、 新材料 、 新结构 和新 圆筒为例 ， 常规设计 时只考虑薄膜应力 ， 在 至于 温差应力 、 边缘应力以 工况更具科 学性 和可靠性 分析设计提高 了许用应力． 降低了安全系 及 交变应 力引起 的疲劳等 问题均未考虑 所 以在规范 中 ． 为了保证容 数 ３ 多年来 的实际运行表 明： Ｏ 采用分析设计的容器安全 可靠． 且具有 器 的安全可靠在设 计中就采用 了较高 的安全 系数 。最早 的安 全系数 经济 胜； 与常规设 计相 比， 可节省材料 ２ ％～ ０ 在一定程 度上有效减 ０ ３ ％． ｎ ５ ４ 年代末改为 ｎ ４ 这样做实 际上是企 图以高 的安全系数来包罗 少制造加工量 、 ： ．０ ＝。 降低运输费用 但对 于选 材 、 制造 、 检验和验收规定 了 各 种因素 的影 响． 存在一些 问题 比常规设计更为严格的要求 下面是 常规设计与分析设计的对比 近年来 ， 由于锅 炉、 石油 、 化工 等行 业 的发展 ， 压力容器设计 参数 ① 比较项 目： 设计准则。 常规设计 ： 弹性失效 ： 只允许存在弹性变 提高． 使用条件也越来 越苛刻 ． 如果 单纯依靠提高 安全系数 的办法来 分析设计 ： 弹性失效 ＇ 塑性失效 ； ｊ 单 允许 出现 局部 的、 可控制 的塑性变 保 证强度 ． 导致设计变得不合理 。 会 为了防止这种现象 的发生 ． 我们在 形 （． １ 极限载荷（ 一次加载 ２安定 载荷反复加载） ． 。 结构型式 与材料方 面采取相应措施外 ． 还必须从设计观 点和设 计方法 ② 比较项 目： 载荷 。 常规设计 ： 静载荷 。 分析设计 ： 静载荷 、 交变载 上加以改进和发展 目前世 界上一些先进 的国家都在运用应力分析方 荷 。 法 ． 国也 于 １９ 年颁 布 了ｆ 我 ９５ 钢制压 力容器一一 分析设计 标准） Ｂ ７ （ ４ Ｊ ③ 比较项 目： 分析方法。 常规设计 ： 薄膜理论 、 材料力学方法 、 简化 犯 一 ９ ） 要求把零部件 中的应力较为准确地设计 出来或用应 力测试 公式加经验 系数 。分析设计 ： ５． 弹性或塑性力学分析ｆ 理论方 法、 数值方 法 测定 出来 。其次是引入 了极 限分析与安定性分析 的概念 ， 对求得的 法 、 实验方法）板壳理论 。 、 应力 加以分类和加 以限制 ④ 比较项 目： 应力评定。 常规设计 ： 应力不分类 、 同一 的许用应力 、 分析设计和常规设计 的主要 区别如下： 用第一强度理论 、 基本安全系数较大 。分析设计 ： 力分类 、 应 用应力强 用第 基本安全系数较小。 ①分 析设计 比常规设 计在选材 、 结构 、 设计 、 制造 、 检脸和使 用等 度对各类应力进行评定 、 三强度理论 、 方 面都提 出了较高 的要求和较多的限击峰件。 ⑤ 比较项 目： 材料。 常规要求 。 分析设计 ： 质、 优 延性好 、 性能稳定 ②分析设计考虑容器低循环疲劳失效 。 而常规设计并未包 括疲劳 ⑥ 比较项 目： 制造 、 检验。 常规设计 ： 常规要求。 分析设计 ： 整体 陛、 连续性 、 相贯处光滑过渡 、 全焊透、０ ％ １０ 探伤 。 分 析。 ③分 析设计考虑疲劳分析时要求详细计算温差应力 ． 而常规设计 分析设计方法虽然合 理而先进－ 却需要进行大量 复杂的分析计 ｆ 旦 除个 别元件外一般无此要求 算． 需要计算机 才能完成， 因而提高 了设计 费用 和时间， 以。 所 只有当设 ④ 分析设计采用最 大剪应 力理论 ． 而常规设计 ． 最大主应 力 计高参数 、 采用 重要的容器时才 采用这种方法 。但有些容器必须采用分析 理论 。 设计而无其 它选 择 对 一般的常规容器． 长期的实践证 明采用传 统的 ⑤ 分析设计原则上要 求对容器元 件各个部位 的应力进行详 细计 常规设计方法完全可以满足容器 的安全性。 如采用 分析设 计方法． 虽然 算 ． 根据各种应力对 元件失效所起不 同的作用予 以分类 ． 并 然后对 不 节省部分钢材， 却提高了设计 、 制造 费用， 实际上是不合算的。 因而美国 同类别 的应力采用不同的应力校核条件加以限制。 而常规设甘一般不 Ａ Ｍ Ｓ Ｅ规范 同时规定 了上述两种设计准则 ’ 我国也颁 布了 Ｇ １０ １９ Ｂ５— ９８ 计算 某些 局部应力 ． 针对具体结构 引人 不 同的结构 系数 ． 仅 也不对应 《 钢制压 力容器》 Ｊ ４ ３ — ５ 钢制压力容 器—— 分析设计标准 》 和 Ｂ ７２９ 《 ， 根 力进行分类 。 据不 同情况进行不同选择 分析设计是一个整体。 计准则的不 同． 设 要 求与之配套 的一 系列规 范和措 施也不同， 包括材料选用 、 制造工艺 、 检 ２分 析 设计 中应 力分 类 及 其 应 用 ． 分析设 计涉 及了各种可能失效模式 中一些 主要 的失效模式 ， 计 验要求 、 程序 、 制造资格 等方面 ； 常规设计 方法 简单易行， 设 计算 设计 而 具 但 根据 所考虑 的失效模 式 比较详 细地 计算 了容器及受 压元件 的各 种应 有丰 富的使用经 验， 有时却无法解释压力容器 出现 的一些事 故 所 设计者应 根据实践 经验， 经济 通过 力 ． 根据各种应力本身 的性质及对失效模 式所起的不同作用予 以分 以 常规设 计和分析设 计不能混用 ， 并
力分类及其应用 ． 最后对常规设计和分析设 计进行 了详 细的比较 。 为研究奠定 规设计 ； 力 应
压力容器是一种特种设备 ． 计和制造都应按照我 国的标准和 其设 规范进行 ， 国家强制许可制度 。 目前， 实行 压力容 器所采用的设计标准 有两大类： 一种是按规范进行 设计， “ 称 常规设计 ” ｅ ｇ ｙ ｕ ） （ ｓ ｎｂ ｌ ， Ｄ ｉ ｒ ｅ 以美 国 Ａ Ｍ 一 １压 力容器建造》 Ｓ Ｅ Ⅷ一 《 和我 国 Ｇ １０ 钢制压 力容 器》 Ｂ ５｛ 标准为 代表： 另一种是 按应力分析设计 ， 分析设计 ” ｅｉ ｙａａｙｉ ， 称“ ｆ ｓ ｎｂ ｎｌｓｓ以 Ｄ ｇ ） 美 国 Ａ Ｍ 一 ２ 压力 容器建造——另 一规则》 Ｓ Ｅ Ⅷ一 《 和我 国 Ｊ ４ ３ （ Ｂ ７ ２ 钢制 （ 压 力容器——分析设计标准》 为代表